6-Appunti parte sesta - Maurizio Diana IU5HIV

Appunti per sostenere l’esame da radioamatore.
“ Parte Sesta “
(Amplificatori-Oscillatori-Modulazione AM-FM-PM-SSBAlimentatori-Circuiti integrati-RX generico-TX generico-Stadio
finale lineare)
Di IU5HIV , Maurizio Diana
AMPLIFICATORI
-AMPLIFICATORE CON EMETTITORE,SOURCE O CATODO COMUNE:viene usato per
amplificazioni elevate su valori di impedenza abbastanza alti,il suo è esteso sia agli
amplificatori di tensione che di potenza.
-AMPLIFICATORE CON BASE,GRIGLIA O GATE COMUNE: molto stabile,viene usato
per frequenze molto alte per le quali l’effetto della capacità ingresso/uscita sarebbe
intollerabile.Oltre che come amplificatore di tensione viene usato anche come
amplificatore di potenza a RF .
-AMPLIFICATORE A COLLETTORE COMUNE(o inseguitore di emettitore),CATODO O
SOURCE: è usato come adattatore d’impedenza p separatore, esso permette di
adattare un carico di valore molto basso(collegato all’uscita) ad un generatore di
impedenza molto alta(applicato all’ingresso) senza che quest’ultimo ne venga
inadeguatamente caricato e senza che ne derivi una sostanziale attenuazione di
tensione, come invece succederebbe adottando un normale trasformatore.
-IMPEDENZA DI INGRESSO:l’impedenza d’ingresso di un amplificatore è l’impedenza
vista dalla sorgente di segnale quando viene collegata ai suoi terminali d’ingresso.Se
è un amplificatore a valvole la sua impedenza(per la classe A) è data dalla reattanza
della sua capacità d’ingresso ; se invece la valvola è pilotata fino alla regione della
corrente di griglia, in parallelo a quella reattanza c’è anche una componente
resistiva il cui valore è dato da V²/P , dove V è la tensione di pilotaggio e P la
potenza assorbita dalla griglia. Idem per i FET trattandosi di un altro tipo di
dispositivo comandato in tensione. Con amplificatori a transistori a giunzione la
componente resistiva è sempre presente con bassi valori d’impedenza all’ingresso.
-IMPEDENZA DI USCITA: l’impedenza di uscita di un amplificatore consiste nel valore
della resistenza di carico shuntata dalla capacità d’uscita(per le valvole)e dalla
resistenza equivalente di conduzione per i transistori e i Fet.
-IMPEDENZA CIRCUITI RISONANTI A RF: nei circuiti risonanti a RF le impedenze di
ingresso e uscita sono resistenze pressoché pure ,in quanto le componenti reattive
si compensano entrando a far parte dei parametri di risonanza.
-TIPI DI AMPLIFICATORI: a R/C , L/C , RF, A PIU’ STADI. In quelli a più stadi il
guadagno per un singolo stadio è di massimo un centinaio per un FET o un Triodo,
massimo un paio di centinaia per un Pentodo e poco più di un paio di centinaia al
massimo per un transistor bipolare a giunzione. Ciascun stadio è accoppiato al
precedente e al seguente tramite un condensatore la cui capacità deve essere
dimensionata come un cortocircuito per i segnali in gioco e per isolare gli stadi in
tensioni e polarizzazioni; le varie impedenze non devono disturbarsi tra di loro
,ovvero la R d’ingresso di ogni stadio deve caricare il meno possibile quella d’uscita
dello stadio precedente per non modificarne amplificazione e risposta.
-AMPLIFICATORE TIPO DARLINGTON(Tipica dei transistor bipolari a giunzione):si
dice che due transistor sono in connessione Darlington quando la corrente di
emettitore del primo è anche la corrente di base del secondo essendo i due
collettori collegati fra di loro.E’ un amplificatore a emettitore comune il cui
guadagno complessivo β(o HFE) è dato da β1 x β2 ; è a elevato valore di
amplificazione di corrente; ha una resistenza d’ingresso elevata; viene tipicamente
usato negli stadi di potenza di amplificatori audio e stabilizzatori di tensione.
-AMPLIFICATORE DIFFERENZIALE: si ha quando è dotato di due ingressi ed
un’uscita, il guadagno di ciascun ingresso è uguale all’altro ma di fase opposta,per
questo uno degli ingressi viene chiamato invertente e l’altro non invertente; è un
circuito molto importante nel campo della strumentazione e della maggior parte dei
circuiti integrati. In un amplificatore operazionale invertente il segnale in uscita
viene sfasato di 180° rispetto a quello di entrata, non invertente invece rimane in
fase.
-AMPLIFICATORE CASCODE: è un circuito costituito da due amplificatori(a triodo)
collegati in cascata.Il primo è un emettitore a massa e il secondo una base a
massa.Risulta molto stabile e adatto in VHF con guadagno complessivo pari o
superiore a quello di un catodo a massa.
-AMPLIFICATORE PUSH-PULL(o in controfase/opposizione di fase): visto che nelle
varie classi di funzionamento mano a mano che ci si sposta dalla A alla C il segnale
d’ingresso viene ritrovato in uscita di volta in volta dimezzato o di più, per ovviare ed
avere in uscita fedelmente riprodotti gli ampi segnali d’ingresso si usano due
dispositivi collegati in modo che ,allo stesso carico,uno dei due fornisca una
semionda del segnale applicato e l’altro fornisca l’altra semionda.
-NOTE: raddoppiando la tensione del segnale all’ingresso di un amplificatore in
classe B ,la potenza di uscita si quadrupla perché varia col quadrato del potenziale di
griglia.Gli amplificatori in classe C sono tipicamente usati per amplificare segnali in
cw .
OSCILLATORI
-A REAZIONE(o retroazione): sono circuiti che generano i segnali e che determinano
la frequenza su cui funziona un ricevitore o trasmettitore,uno strumento di
misura.Sono una particolare versione di amplificatori dove un’opportuna
percentuale del segnale d’uscita dal dispositivo di amplificazione viene riportata
indietro,quindi in retroazione,all’ingresso dello stesso dispositivo in modo tale che
una volta riamplificata vada a sommarsi al segnale presente,ovvero ne sia in fase.
Si può anche dire che un oscillatore è un amplificatore che si autopilota,cioè è
autoeccitato.
-OSCILLATORI LC: ci sono diversi tipi circuitali tra cui: oscillatore
Meissner,Hartley,Colpitts.
-OSCILLATORI A CRISTALLO(Quarzo): hanno frequenza di oscillazione stabile,
equivalenti a un circuito LC ma con un Q elevatissimo tra le 10.000 e 100.000 volte e
oltre. In un circuito a cristallo la frequenza alla quale sono uguali le reattanze Xc e Xl
è la cosiddetta risonanza serie e corrisponde alla sua frequenza naturale di
oscillazione.Invece a frequenza appena più alta la reattanza del ramo serie dicenta
leggermente induttiva ed eguaglia quella di Cp , in questo modo si dice che il quarzo
funziona in risonanza parallelo.Sopra i 20 MHz (che è la frequenza massima di
risonanza del cristallo) si utilizzano oscillatori in armonica,ovvero moltiplicatori di
frequenza.L’armonica più usata è la terza ma si usa anche la quinta e settima (sono
detti anche oscillatori overtone).
-OSCILLATORI RC: usati nei casi in cui la frequenza di oscillazione sia bassa,in genere
sotto i 100kHz.Fra i vari tipi quello a doppio T e Multivibratore(col quale si
ottengono segnali a dente di sega).
-OSCILLATORI MOLTIPLICATORI DI FREQUENZA(ad armonica): operano in classe C e
generano armoniche.Sono duplicatori di frequenza a livelli di potenza anche elevati
di circa il 50% e triplicatori di circa il 30%. Gli stadi in controfase attenuano
fortemente le armoniche pari mentre hanno una discreta uscita sulle dispari,specie
sulla terza. Un elevato rendimento sulla seconda armonica si ottiene con un
particolare circuito detto push-pull .
Pure un semplice diodo,data la sua caratteristica di condurre su mezzo ciclo e
interdizione sull’altro mezzo ciclo, costituisce un discreto moltiplicatore di frequenza
in quanto la sua caratteristica di conduzione,specie per segnali di una certa
ampiezza,è fortemente non lineare.
MODULAZIONE DI AMPIEZZA(AM o DSB)
In AM un segnale ad audiofrequenza (BF) ottenuto tipicamente da un microfono va
a modulare(cioè ad imprimere il suo stesso ritmo di variazione) l’ampiezza di
un’onda sinusoidale a radiofrequenza, tale segnale mantiene inalterata la frequenza
e la fase
La frequenza più alta varia i suoi parametri al ritmo di quella più bassa.L’ampiezza
della portante ( RF) varia al ritmo della modulante a ( BF ).
L’AM è caratterizzata dalla presenza della portante e di due bande laterali
simmetriche. Dato che l’informazione del segnale è tutta contenuta in ognuna delle
bande laterali si può sopprimere sia l’altra banda laterale che la portante volendo,
ottenendo così la SSB .
-PROFONDITA’ DI MODULAZIONE: la profondità di modulazione è data dal rapporto
m% = Vm/Vp ed è la percentuale di modulazione, può variare tra 0(0%) e
1(100%),sopra il 100%(1) si ha il fenomeno della sovramodulazione. Se la profondità
di modulazione,ad esempio,viene ridotta dal 100% al 50% la potenza irradiata si
riduce del 25% .
-DEMODULAZIONE O RIVELAZIONE: consiste nell’estrazione da un’onda a RF
modulata dell’informazione audio (o di altra natura) a questa sovrapposta.Il
rivelatore più classico ed elementare è quello a diodo,composto da un diodo più un
circuito RC con costante di tempo opportunamente scelta.
MODULAZIONE DI FREQUENZA(FM) E DI FASE (PM)
Nella FM l’ampiezza del segnale resta costante mentre è la frequenza a variare al
ritmo del segnale audio modulante(BF) e con essa pure la fase.
La sua banda passante è superiore a quella AM(a causa di elevato numero di
frequenze laterali)però è molto meno sensibile ai rumori e ai disturbi di tipo
impulsivo. La sua variazione di frequenza è modesta e corrisponde all’ampiezza delle
sue bande laterali.Se ad esempio un circuito che genera una portante a 8 MHz ha la
sua frequenza spostata(a causa della modulazione) fra 7995 e 8005 kHz vuol dire
che la sua deviazione è di + o – 5kHz quindi l’indice di modulazione = deviazione
portante/frequenza modulante,pertanto nell’esempio di sopra se la deviazione di
5kHz corrisponde a una frequenza audio(BF) di 1kHz l’indice di modulazione sarà:
im= 5000/1000 = 5 . Sulle bande radiantistiche è normalmente autorizzata(data
l’ampiezza di banda occupata) solo il tipo di FM (o PM) a banda stretta (NBFM).Più
l’indice di modulazione è basso e più la banda laterale più importante(la seconda)
risulta attenuata, nel contempo indici di modulazione bassi comportano efficienze di
modulazione scarse. La preenfasi viene usata in FM.
-CIRCUITI DI MODULAZIONE: può essere quello a reattanza con circuito LC, ma
quello che interessa per le nostre apparecchiature è quello nella versione di
oscillatore Colpitts a cristallo di quarzo.
-CIRCUITI DI RIVELAZIONE: discriminatore Foster-Seeley che alla portante o
frequenza centrale produce un’uscita zero,mentre ai lati di essa fornisce una
tensione di polarità e ampiezza dipendente dalla direzione e dall’entità dello
spostamento di frequenza(e non quindi dell’ampiezza) del segnale.
-MODULAZIONE DI FASE(PM):l’unica diffrenza tra FM e PM è che nella FM la
deviazione di frequenza è proporzionale solo all’ampiezza del segnale modulante,
per la PM invece la deviazione di frequenza è proporzionale sia all’ampiezza che alla
frequenza del segnale audio.
MODULAZIONE A BANDA LATERALE UNICA (SSB)
Si utilizza una sola banda laterale,per convenzione in ambito radioamatoriale
generalmente dai 7MHz compresi in giù si utilizza la LSB e sopra i 7MHz la USB.
-RAPPORTI DI POTENZA TRA PORTANTE E BANDE LATERALI: La tensione in ciascuna
banda laterale è la metà di quella a RF e la potenza in ognuna delle bande laterali è
¼ di quella della portante.
-MODULATORE BILANCIATO: serve a manipolare la portante a RF e l’informazione
audio(BF) in modo da rendere disponibile all’uscita ambedue le bande laterali ma
non la portante a RF. Un esempio di modulatore bilanciato è quello ad anello di
diodi simmetrico e bilanciato in maniera tale che in presenza della sola portante a RF
non si abbia in uscita nessun segnale in quanto i diodi risultano come interruttori
N.A. che vengono azionati(chiusi) solo dal segnale modulante e al suo ritmo in uscita
si hanno le due bande laterali (in questo circuito il segnale audio è applicato in pushpull,ovvero controfase,il segnale RF in parallelo e l’uscita di nuovo in push-pull).E’ di
tipo passivo ,si presta bene per applicazioni su larghe bande di frequenza ma
presenta una certa perdita di segnale ,sui 6-10 dB circa.
-MODULATORE BILANCIATO A FET: è sempre bilanciato in quanto sia l’audio che la
portante sono applicati separatamente e simmetricamente.
-FILTRI ELIMINA BANDA(a cristallo): dopo l’uscita dal modulatore per
eliminare/attenuare una delle due bande laterali servono appunto circuiti accordati
sulla banda laterale che vogliamo conservare con caratteristiche elevate non
facilmente ottenibili da circuiti accordati convensionali bensì solo da filtri a cristallo.
-RIVELATORI A PRODOTTO: in questo circuito la sua uscita corrisponde in qualche
modo al prodotto dei due segnali entranti, il segnale SSB di una banda laterale più
una portante sostitutiva di quella originaria che viene fornita dal BFO(BeatFrequency-Oscillator: oscillatore a frequenza di battimento) e la mancanza di uno
dei due segnali provoca l’assenza di qualsiasi segnale audio all’uscita. Questi
rivelatori a prodotto possono essere costituiti da diodi(ovvero passivi) o da
mosfet(ovvero attivi).
ALIMENTATORI
Tutti i dispositivi bisognosi di alimentazione (valvole o transistor che siano)devono
operare in CC, sia se sono necessari pochi o migliaia di volt di tensione. Se questa
tensione viene prelevata dalla rete di luce bisogna prima trasformarla al valore di
tensione richiesto(sia più alto che più basso)e poi convertita in tensione continua.
-RADDRIZZATORE A MEZZ’ONDA O SEMIONDA: basta un diodo, è la più semplice
versione di rettificatore e rende disponibile in uscita una sola delle semionde(quella
positiva) del segnale sinusoidale di partenza.
Misurando con un voltmetro la tensione in uscita ,lo strumento sentendo solo la
metà del segnale(visto che misura il valore medio) ovvero per metà del ciclo, darà
un’indicazione pari a metà del valore previsto, cioè 0,318 la tensione di picco
anziché 0,636 .
-RADDRIZZATORE A ONDA INTERA O BIFASE: formato da due diodi da in uscita la
disponibilità di tutte e due le semionde in quanto una delle due semionde viene
raddrizzata e allineata con l’altra.Durante metà del ciclo conduce un diodo e durante
l’altra metà del ciclo conduce l’altro diodo e misurando avremo in uscita un valore
pari all’intero valore medio.
-RADDRIZZATORE A PONTE(di Graetz): formato da un ponte di quattro diodi,
funzionante anche questo a onda intera, quando arriva il ciclo positivo conducono i
diodi A e D,quando arriva il ciclo negativo conducono i diodi B e C .
-SCHEMA A BLOCCHI:
-DUPLICATORI DI TENSIONE: sono circuiti raddrizzatori che sfruttando le
caratteristiche dei condensatori eseguono al contempo un rialzo nella tensione di
uscita con fattore di moltiplicazione pari ai multipli interi della tensione disponibile
al trasformatore.
-STABILIZZATORI DI TENSIONE(stabilizzatori serie): nel caso degli Rtx per evitare
slittamenti di frequenza,distorsioni,diminuzioni di potenza,serve che la tensione sia
stabile e questo si può ottenere inserendo negli alimentatori circuiti stabilizzatore
appositiche per modeste potenze possono essere costituiti con diodi Zener più
apposita resistenza limitatrice in serie alla corrente erogata,per questi diodi i valori
della tensione stabilizzata variano da 3 a oltre 100 V e la loro potenza da 400 mW ad
alcune decine di Watt al massimo.Se si vogliono prestazioni migliori per potenza e
stabilità si aggiunge un transistor collegato a emitter-follower.
CIRCUITI INTEGRATI
Sono microcircuiti composti da transistori/diodi messi assieme su un piccolissimo
cristallo(substrato) di silicio con varie tecniche di metallizzazione e drogaggio.
-INTEGRATI LINEARI: la loro uscita è lineare, ovvero sempre proporzionale al
segnale presente in ingresso.
-L’AMPLIFICATORE OPERAZIONALE: è un amplificatore differenziale ad
accoppiamento diretto e alto guadagno e ha: elevata impedenza
d’ingresso,impedenza d’uscita molto bassa,guadagno in tensione molto alto,risposta
di frequenza piatta entro tutta la banda di lavoro,assoluta stabilità di
funzionamento.Esso è costituito da: stadio d’ingresso ad amplificatore
differenziale,accoppiato direttamente in CC,amplificatore d’uscita in controfase
estremamente bilanciato,alcuni stadi intermedi che oltre ad amplificare il segnale
mantengono gli adattamenti ottimali d’impedenza.
-INTEGRATI DIGITALI: contengono circuiti di tipo logico che eseguono operazioni
algebriche particolari e la cui uscita dipende dalla presenza e combinazione di
particolari segnali d’ingresso senza proporzionalità con la loro ampiezza
SISTEMA BINARIO: due soli stati logici
0 = NienteBassoAperto
1 = TuttoAltoChiuso
Bit 0 = quando la tensione è zero
Bit 1 = quando la tensione è +5V
-OSCILLATORI RF A SINTESI DI FREQUENZA: sono fatti con circuiti integrati sia lineari
che digitali combinati insieme e danno segnali RF molto stabili.Quello più usato è il
cosiddetto a sintesi indiretta, nel senso che la frequenza di uscita è generata non da
un oscillatore vero e proprio di opportune caratteristiche(a sintesi diretta) ma
utilizzando un oscillatore variabile sintonizzato in tensione.
-IL P.L.L. (Phase-Locked Loop): ovvero anello ad aggancio di fase, è formato da
VCO (oscillatore a frequenza variabile controllato in tensione)
Divisore programmabile
Rivelatore di fase
Filtro sul controllo in retroazione
generatore di frequenza di riferimento
-MODEM: è un’interfaccia in grado di trasformare l’uscita analogica del Rtx in un
segnale digitale da applicare all’ingresso del computer,oppure trasformare l’uscita
digitale del computer in un segnale analogico per l’ingresso nel Rtx.
RICEVITORE GENERICO
I suoi parametri fondamentali sono sensibilità,stabilità,selettività.
-SELETTIVITA’: separa i segnali vicino alla frequenza in esame, la misura va da -6dB a
un massimo di -60dB. La protezione da canale adiacente è la capacità del ricevitore
di funzionare con regolarità anche se ci sono segnali molto forti vicino alla frequenza
che si sta ascoltando, ovvero semplicemente è l’abilità di distinguere tra due segnali
estremamente vicini l’un l’altro in termini di frequenza.
-SENSIBILITA’: è la capacità di captare segnali molto deboli. Indica il livello minimo di
potenza del segnale ricevuto che può essere rivelato ed è espresso o comunque
dipende strettamente dal rapporto segnale/rumore.
-STABILITA’: è l’attitudine a rimanere sintonizzato su un segnale fisso senza che sia
necessario ritoccare periodicamente certi controlli legati alla frequenza degli
oscillatori di sintonia, ovvero indica la capacità di mantenere costante nel tempo la
frequenza voluta anche al variare della temperatura e dell’alimentazione.
-INTERMODULAZIONE: poiché i componenti utilizzati hanno caratteristiche di non
linearità,all’uscita del ricevitore,oltre alla frequenza voluta si avranno anche altre
frequenze: in questo caso si parla di intermodulazione o distorsione di
intermodulazione.
-RICEVITORE CON CIRCUITO A SUPERETERODINA: A una o più frequenze intermedie
MF (o IF). Converte i segnali RF ricevuti in una frequenza di valore fisso e ben
definito detta MF(IF) .
-FILTRI DI MF(IF) PER RX: per FM = 10-20kHz di banda passante; per SSB = 2-3kHz di
banda passante; per CW = 500Hz; per AM = 5-6kHz
-S-METER:Misura l’intensità del segnale RF all’ingresso del ricevitore,l’entità di
questo segnale può variare da frazioni di µV fino a qualche mV e misura 6dB per
ogni punto di lettura, ma la linearità non è reale ed è solo per praticità che si adotta
questo tipo di scala. Dopo lo S9 lo S-Meter procede di 20dB alla volta sino a 60dB. In
genere si classifica i segnali sino a S5 come deboli,sino a S9 come forti,oltre S9 come
fortissimi.
-SQUELCH: in assenza di segnale fa si che la radio rimanga in silenzio senza fruscio.
-CLARIFIER: usato negli RX per correggere un tipo di voce troppo acuta o grave.
-RIT: nei ricevitori consente di spostare la frequenza di 5-10kHz .
TRASMETTITORE GENERICO
-OSCILLATORE: genera l’onda portante sulla quale viaggerà il segnale informativo
vero e proprio.
-MODULATORE: modula l’onda portante in base al segnale informativo da
trasmettere sia analogico che digitale.
-AMPLIFICATORE: necessario per ovviare all’attenuazione del segnale utile
introdotta dal canale di trasmissione.
-FILTRI: per eliminare le componenti indesiderate di rumore e disturbi vari.
-PARAMETRI:
-STABILITA’: per far rimanere invariata nel tempo la frequenza di lavoro.
-LARGHEZZA DI BANDA: l’ampiezza dello spettro occupata dal segnale .
NON LINEARITA’: se i segnali non sono elaborati uniformemente al variare della loro
ampiezza si verifica una non linearità.
-POTENZA DI USCITA: è la grandezza in watt della potenza di uscita a RF
dell’amplificatore,si misura correttamente con un carico fittizzio adeguato.
-INDICE DI MODULAZIONE: indica quanto un segnale è modulato per lo più in
percentuale. Nelle teelcomunicazioni può variare tra 0(0%) e 1(100%) ,oltre avviene
il fenomeno di distorsione denominato sovramodulazione.
-XIT: nei TX consente di spostare la frequenza di 5-10kHz .
-DEVIAZIONE DI FREQUENZA: è la massima differenza tra la frequenza della portante
modulata e la frequenza della portante non modulata.
-IRRADIAZIONI PARASSITE: sono emissioni su frequenze diverse da quella del
segnale utile e sono prodotte dai generatori presenti o da schermature insufficienti.
-CLICK DI MANIPOLAZIONE: sono disturbi tipici della telegrafia.
-IRRADIAZIONI DELLA STRUTTURA: a causa di errori di costruzione o progettuali del
TX possono manifestarsi problemi in trasmissione causati da “cabinet radiation” e
cioè la struttura irradia similmente a un’antenna.
STADIO FINALE LINEARE